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1、機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究
機車柴油機曲軸平衡塊焊接工藝研究
2016/04/22
《現(xiàn)代焊接雜志》2016年第三期
摘要:
HXN5機車柴油機曲軸平衡塊采用焊接方式連接,曲軸體材料為ASTMA983M(42CrMo),平衡塊材料為ASTMA36M1020(20#),是典型的異種鋼焊接。文章對材料的焊接性、焊接材料及焊接規(guī)范選用、平衡塊組裝定位、組焊順序、焊道順序、焊前預(yù)熱和焊后消除應(yīng)力熱處理等工藝措施進(jìn)行了分析和研究,并進(jìn)行焊
2、接工藝試驗,確定了合適的曲軸平衡塊焊接工藝。焊接結(jié)果表明,采用該焊接工藝進(jìn)行曲軸平衡塊焊接,焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計要求,為HXN5機車柴油機曲軸的批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:
機車柴油機;曲軸平衡塊;焊接工藝
內(nèi)燃機車柴油機轉(zhuǎn)速一般在500~1100r/min,為平衡連桿頸曲柄的離心慣性力,在曲柄的相對應(yīng)側(cè)需加裝平衡塊。我公司從美國GE公司引進(jìn)的HXN5型機車柴油機曲軸平衡塊采用焊接方式連接,如圖1、圖2所示。曲軸的材料為ASTMA983M,平衡塊材料為ASTMA36M1020。在研究了ASTM(美國材料與實驗學(xué)會)制定的中速柴油機用合金鋼曲軸技術(shù)
3、規(guī)范的基礎(chǔ)上,經(jīng)過分析和試驗:ASTMA983M相當(dāng)于國產(chǎn)的42CrMo,ASTMA36M相當(dāng)于國產(chǎn)的20#鋼。曲軸與平衡塊的焊接是一種典型的異種鋼焊接。
1焊接性分析
曲軸材料:ASTMA983M;平衡塊材料:20#(GB/T699);焊接材料:TWE-711(E501T-1)藥芯焊絲,所采用材料的化學(xué)成分如附表。(國際焊接協(xié)會),一般鋼材的碳當(dāng)量小于0.38,焊接性比較好。ASTMA983M,其碳含量較高(W(c)=0.30~0.48),并含有較多的合金元素(如Mn、Si、Cr、Mo等),碳當(dāng)量最高可達(dá)0.77。該鋼種淬硬性好,可達(dá)很高的強度和硬度,屈服強度
4、可達(dá)690~830MPa,但韌性相對較低。在焊接時,焊接接頭的熱影響區(qū)極易產(chǎn)生硬脆的馬氏體,且熱影響區(qū)及過熱區(qū)晶粒易于長大,使其脆性下降,增加了熱影響區(qū)的組織應(yīng)力,具有很大的冷裂紋敏感性;由于其還含有較多的對熱裂紋起較大影響的C、Si等元素,熱敏感性強,具有一定的熱裂傾向。另外,ASTMA983M與20#的焊接是典型的異種鋼焊接,會造成焊接接頭區(qū)域的成分、組織、性能的不均勻性,給焊接帶來很大的困難。根據(jù)HXN5機車柴油機曲軸平衡塊解剖檢驗的分析結(jié)果及ASTMA983M+20#異種鋼焊接性的分析,選擇合適的焊接材料;采用合理的焊接接頭形式、焊接方法、焊接工藝措施(合適的焊接參數(shù)、預(yù)熱、緩冷等)、
5、焊后消除應(yīng)力熱處理等工藝措施,進(jìn)行HXN5機車柴油機曲軸平衡塊的焊接。
2焊接工藝研究
通過對選用的國產(chǎn)材料的焊接性分析,進(jìn)行了焊接工藝試驗,為制定合適的焊接工藝打下了基礎(chǔ),試驗解決了以下幾個問題:
2.1平衡塊組裝定位問題焊前平衡塊的組裝定位、引弧板和收弧板的組裝直接影響到平衡塊最終的焊接質(zhì)量及曲軸與平衡塊的最后成型。為此,專門設(shè)計了平衡塊與曲軸組裝的定位工裝,定位工裝由兩塊定位板組成,在組裝定位焊接時,解決了平衡塊的中心線與曲軸中心線難以保持一致的問題,并能保持平衡塊的垂直。
2.2平衡塊組裝焊接順序問題HXN5機車柴油機曲軸
6、長4.5M左右,毛坯重達(dá)3T,由曲軸和8塊平衡塊組成。組裝焊接時,正確的組裝焊接順序能夠避免由重力、焊后冷卻及焊接應(yīng)力帶來的變形,從而保持平衡塊焊接完成后曲軸中心線的直線度。平衡塊組裝焊接順序如圖3所示。
2.3平衡塊焊道順序問題平衡快采用K形坡口,多層多道焊接。為了控制焊后由于焊縫冷卻收縮帶來的變形,對平衡塊在焊接時制定了嚴(yán)格的焊道順序,焊接時要求焊槍直線運動,控制每道焊縫的寬度和厚度,采取小線能量,減少每道焊縫的熱輸入量,從而達(dá)到降低焊接熱應(yīng)力,控制焊后變形的目的。平衡塊焊道順序如圖4所示。
2.4焊前預(yù)熱問題考慮到本體采用的是淬透性很高的調(diào)質(zhì)鋼42CrMo
7、,焊接性較差,因此在焊接之前必須進(jìn)行預(yù)熱,以防止冷裂紋的產(chǎn)生。在平衡塊定位焊時,將曲柄局部預(yù)熱。待平衡塊全部定位完成之后,將曲軸整體放進(jìn)爐內(nèi)整體預(yù)熱,并保溫一定時間。
2.5焊后消除應(yīng)力熱處理問題消除為降低焊接殘余應(yīng)力及擴(kuò)散氫含量,減小曲軸體熱影響區(qū)的硬度,以避免焊接裂紋的產(chǎn)生,經(jīng)過前期的反復(fù)試驗,確定了焊后消除應(yīng)力熱處理時機及工藝參數(shù)。
3焊接工藝設(shè)計
3.1焊接前的準(zhǔn)備(1)在曲軸各曲柄劃出平衡塊的安裝定位中心線,為了保證最終的焊接質(zhì)量,在焊縫部位及周圍不少于30mm的范圍內(nèi)進(jìn)行磁粉檢驗,判斷有無裂紋等缺陷,若有裂紋,通過機加工或打磨去除裂紋
8、,在去除裂紋的過程中,必須保證曲軸的質(zhì)量,若無裂紋,待組裝焊接。(2)加工平衡塊,坡口型式為K形坡口,兩邊坡口角度均為45,留2mm鈍邊,并劃出平衡塊安裝定位中心線。(3)在曲柄待焊接部位和平衡塊坡口表面及周圍不少于20mm的范圍內(nèi)通過打磨清除油、銹、氧化物、灰塵及其它污物,打磨見金屬本色。(4)平衡塊的定位組裝,按照設(shè)計的平衡塊定位工裝進(jìn)行組裝,組裝順序如圖1所示。為保證焊縫的最終質(zhì)量,增加焊接引弧板和收弧板,焊接引弧板和收弧板的坡口型式應(yīng)與平衡塊一致,平衡塊與曲軸的組裝定位間隙為3~4mm。(5)平衡塊與曲柄組裝后的定位焊,在定位時,使平衡塊中心線與曲軸中心線一致,并保持平衡塊垂直。(6)
9、在進(jìn)行定位焊前,曲柄局部采用氧乙炔火焰預(yù)熱至100℃,然后進(jìn)行定位焊操作。(7)待平衡塊的組裝和定位焊結(jié)束后,將曲軸整體進(jìn)爐內(nèi)預(yù)熱300℃,時間為6小時。
3.2焊接過程(1)采用CO氣體保護(hù)焊,焊接材料為直2徑1.4mm的E501T-1藥芯焊絲,直流反接。焊接電流:200~230A,電弧電壓:25~28V,保護(hù)氣體:99.5%的CO,流量:20~25L/min,層間溫度:2曲柄焊接部位及周圍100mm范圍內(nèi),溫度不低于300℃。整個曲軸的平衡塊的焊接順序按照圖1所示的順序進(jìn)行,要求焊工同時對稱實焊。焊接操作時,采用多層多道焊,焊道順序如圖4所示。第一道焊縫完成后,應(yīng)將焊縫根部
10、的夾渣、氣孔、焊渣等缺陷及雜物清除干凈,方可進(jìn)行第二道焊縫的焊接;以后每道焊縫完成后,應(yīng)將缺陷及雜物清除干凈后才能進(jìn)行后道焊縫的焊接。(2)在第一和第二道焊縫完成后,采用機械方法或氧-乙炔火焰切割清除定位板,不允許割傷平衡塊、曲軸表面。(3)平衡塊兩面最后一道焊縫應(yīng)確??科胶鈮K一側(cè)完成。(4)待焊接結(jié)束后,用碳弧氣刨(或氧-乙炔火焰)清除平衡塊端部的引(收)弧板及端部缺陷,并進(jìn)行打磨呈金屬本色。(5)曲柄與平衡塊的焊縫外形尺寸應(yīng)符合圖5所示的要求。(6)曲軸平衡塊焊接完成后的半小時內(nèi)進(jìn)爐進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,其工藝參數(shù):溫度580~600℃,保溫15小時,隨爐冷卻至250℃,出爐空冷。
11、
3.3焊接檢驗焊接檢驗在曲軸平衡塊消除應(yīng)力熱處理冷卻,經(jīng)打磨后進(jìn)行。(1)焊縫外觀檢查:焊縫聯(lián)接處過渡平緩,符合焊接接頭的外形尺寸要求。(2)焊縫表面檢驗:按ASTMA986/A986M《連續(xù)晶粒線向曲軸鍛件磁粉探傷技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行磁粉探傷,焊縫表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。(3)焊縫內(nèi)部探傷:按GB/T11345《焊縫無損檢測超聲波檢測技術(shù)、檢測等級和評定》進(jìn)行超聲波探傷,檢驗等級B級,評定等級不低于2級,符合要求。
4結(jié)束語
通過小批量生產(chǎn)試制過程中的驗證證明,經(jīng)過合理的工藝設(shè)計,采取正確的焊接工藝方法和工藝參數(shù),并充分考慮焊接前預(yù)熱和焊后消除應(yīng)力熱處理的影響和作用,曲軸平衡塊的焊接質(zhì)量能夠完全達(dá)到產(chǎn)品的使用要求,為HXN5機車柴油機曲軸批量生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。